Kenraali Georgi Zhukovin johdolla toiminut Neuvostoliiton punaarmeija käynnisti operaation Uranus - suuren Neuvostoliiton vastavihollisen, joka muutti vuoroveden Stalingradin taistelussa.
Natsi-Neuvostoliiton sopimuksesta 1939 huolimatta natsi-Saksa aloitti 22. kesäkuuta 1941 valtavan hyökkäyksen Neuvostoliittoon. Saksalaisten armeija kilpaili huomattavasti paremman ilmavoimiensa avulla Venäjän tasangon yli ja aiheutti Punaarmeijan ja Neuvostoliiton väestölle kauheita menetyksiä. Saksalaiset valloittivat akseliliittolaisten joukkojen avulla valtavan alueen, ja lokakuun puoliväliin mennessä suuret Venäjän kaupungit Leningrad ja Moskova olivat piirityksen alla. Neuvostoliitot kuitenkin pitivät, ja talven tuleminen pakotti Saksan hyökkäyksen pysähtymään.
Vuoden 1942 kesähyökkäykseen Adolf Hitler määräsi kuudennen armeijan kenraalin Friedrich von Pauluksen johdolla ottamaan Stalingradin eteläpuolelle, teollisuuskeskuksen ja esteen natsien hallitsemiselle Kaukasuksen arvokkaiden öljykaivojen hallinnassa. Elokuussa Saksan kuudes armeija eteni Volgajoen yli, kun taas Saksan neljäs ilma-alus joutui Stalingradin palamaan raunioihin tappaen yli 40 000 siviiliä. Syyskuun alussa kenraali Paulus määräsi ensimmäiset hyökkäykset Stalingradiin arvioidessaan, että hänen armeijansa vie kaupungin kymmenen päivää. Näin alkoi yksi toisen maailmansodan kauheimmista taisteluista ja väitetysti tärkein, koska se oli käännekohta Saksan ja Neuvostoliiton välisessä sodassa.
Yrittäessään ottaa Stalingradin, Saksan kuudes armeija kohtasi kenraalin Vasilija Žukovin johdolla katkeraa puna-armeijaa, joka käytti pilaantunutta kaupunkia heidän edukseenan, muuttamalla tuhotut rakennukset ja raunat luonnollisiksi puolustuslinkeiksi. Taistelumenetelmässä saksalaiset alkoivat kutsua Rattenkrieg, tai ”Rattien sota”, vastakkaiset joukot hajottivat kahdeksan tai kymmenen vahvan ryhmän ja taistelivat keskenään alueen jokaisesta talosta ja pihasta. Taistelussa tapahtui katujen torjuntatekniikan nopeaa kehitystä, kuten kulmien ympäri ampunut saksalainen konekivääri ja kevyt venäläinen lentokone, joka liukastui hiljaa Saksan asemien yli yöllä pudottaen pommeja ilman varoitusta. Molemmilta puolilta puuttui kuitenkin välttämätöntä ruokaa, vettä tai lääketieteellisiä tarvikkeita, ja kymmeniä tuhansia menehtyi viikossa.
Neuvostoliiton johtaja Joseph Stalin päätti vapauttaa hänelle nimetyn kaupungin, ja marraskuussa hän tilasi alueelle valtavia vahvistuksia. Kenraali Zhukov käynnisti 19. marraskuuta Stalingradin raunioista suuren neuvostoliiton vastapuhan. Saksan komento aliarvioi vastahyökkäyksen mittakaavan, ja kuudes armeija hävisi nopeasti hyökkäyksessä, johon osallistui 500 000 Neuvostoliiton joukkoa, 900 tankkia ja 1 400 konetta. Kolmen päivän kuluessa koko yli 200 000 miehen saksalainen joukko oli ympäri.
Stalingradissa sijaitsevat italialaiset ja romanialaiset joukot antautuivat, mutta saksalaiset ripustivat, saaden rajoitetun määrän lentokoneita ja odottaen vahvistusta. Hitler käski Von Pauluksen pysyä paikoillaan ja ylensi hänet kenttä marsaliiniksi, koska kukaan natsimies marsalkka ei ollut koskaan alistunut. Nälänhätä ja katkera Venäjän talvi veivät yhtä monta henkeä kuin armottomat Neuvostoliiton joukot, ja 21. tammikuuta 1943 viimeinen saksalaisten hallussa olevista lentoasemista putosi neuvostoliittolaisille ja sulki saksalaiset kokonaan tarvikkeista. 31. tammikuuta Von Paulus luovutti eteläisen sektorin saksalaiset joukot, ja 2. helmikuuta loput saksalaiset joukot antautuivat. Vain 90 000 saksalaista sotilasta oli yhä elossa, ja näistä vain 5000 joukosta selvisi Neuvostoliiton sotavankien leireistä ja palasivat takaisin Saksaan.
Stalingradin taistelu kääntyi nousuun Saksan ja Neuvostoliiton välisessä sodassa. Kenraali Zhukov, jolla oli ollut niin tärkeä rooli voitossa, johti myöhemmin Neuvostoliiton ajaa Berliiniin. Hän hyväksyi 1. toukokuuta 1945 Saksan antautuneen Berliinin. Sillä välin von Paulus ahdisti Adolf Hitleriä Saksan sotavankien keskuudessa Neuvostoliitossa ja antoi vuonna 1946 todistuksen Nürnbergin kansainvälisessä sotilastuomioistuimessa. Neuvostoliiton vapauttamisen jälkeen vuonna 1953 hän asettui Itä-Saksaan.
